KR101317003B1 - 2차 전지의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

전지 케이스와, 상기 전지 케이스 내에 수납되는 전극판군을 포함하는 2차 전지의 제조 방법이 제공된다. 상기 전극판군은 정극판 및 부극판 및 이들 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함한다. 상기 전극판군은 비수 전해액으로 함침된다. 상기 방법은 상기 전지 케이스 내의 공기를, 상기 비수 전해액 중 오스트발트 용해도 계수가 2.0 이상인 기체로 치환하는 단계와, 상기 기체로 치환한 후 상기 전지 케이스 내의 압력을 감소시키는 단계와, 감압된 상기 전지 케이스 내에 상기 비수 전해액을 주입하는 단계를 포함한다.

Description

2차 전지의 제조 방법{METHOD OF FABRICATING SECONDARY BATTERY}
본 출원은 2011년 9월 29일자로 출원된 일본 특허 출원 제2011-215707호를 기초로 하여 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 원용된다.
본 실시 형태는 2차 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
최근에는, AV(audio visual) 기기, PCs 및 휴대형 통신 기기 등의 전자 기기에서, 휴대화(portable) 또는 무코드화(cordless)로의 경향이 급속히 촉진되고 있다. 이러한 전자 기기의 구동용 전원으로서는, 리튬 2차 전지로 대표되는 비수 전해액 2차 전지가 주류가 되고 있다. 비수 전해액 2차 전지는, 급속 충전이 가능하고 체적 에너지 밀도 및 중량 에너지 밀도 모두가 높은 소형, 경량, 고용량의 충방전 가능한 전지이다.
또한, 비수 전해액 2차 전지를 이용하는 전자 기기의 다양화에 수반하여, 고용량의 비수 전해액 2차 전지에 대한 요구가 존재한다. 따라서, 비수 전해액 2차 전지의 활물질의 밀도가 증가되고, 정극판과, 부극판과, 세퍼레이터 사이의 긴박도(degree of tightness)가 증가되었다. 그 결과, 비수 전해액의 침투에 요구되는 시간이 길어지게 되었다.
일 실시 형태에 따른 2차 전지의 제조 방법은 전지 케이스와, 상기 전지 케이스 내에 수납되는 전극판군을 포함하는 2차 전지의 제조 방법이다. 상기 전극판군은 정극판 및 부극판 및 이들 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함한다. 상기 전극판군은 비수 전해액으로 함침된다. 상기 2차 전지의 제조 방법은 상기 전지 케이스 내의 공기를, 상기 비수 전해액 중 오스트발트 용해도 계수가 2.0 이상인 기체로 치환하는 단계와, 상기 기체로 치환한 후 상기 전지 케이스 내의 압력을 감소시키는 단계와, 감압된 상기 전지 케이스 내에 상기 비수 전해액을 주입하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 2차 전지의 제조 방법의 수순을 도시하는 공정도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 따른 2차 전지의 제조 방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시 형태의 2차 전지의 제조 방법에서는, 우선 전지 셀을 제조하고, 그 후, 비수 전해액을 전지 셀 내로 주입한(introduce) 후, 전지 셀을 밀봉한다. 전지 셀은 전지 케이스 내에 전극판군(electrode plate set)을 봉입한 것을 칭한다.
전지 셀의 제조 방법에 대해서 간단히 설명한다. 우선, 전지 케이스 및 전극판군을 각각 제조한다. 전극판군은 정극판과 부극판 사이에 세퍼레이터를 개재하고, 이들 3개의 부재들을 편평 형상으로 권회(rolling)하여 형성된다. 또한, 전극판군은 편평 형상으로 한정되지 않는다. 전극판군은 원통 형상일 수 있고, 또는 전극판은 적층될(stacked) 수도 있다.
정극판 및 부극판 각각은 금속박에 활물질 페이스트(paste)를 도포하고, 그 후 건조, 압연 등을 행함으로써 제조된다. 세퍼레이터는 절연성 수지로 이루어지는 시트이다. 전극판군이 전지 케이스 내에 놓이기 전에, 세퍼레이터는 정극판과 부극판 사이에 개재된다. 세퍼레이터가 사이에 개재된 정극판 및 부극판 군은 권회되어, 전지 케이스 내에 놓인다. 그리고, 전지 케이스의 개구에 탑 커버(top cover)를 설치한다. 이 단계에서, 탑 커버에는 주입구가 남겨져 있다.
다음, 이 상태의 전지 케이스 내에, 도 1 도시한 바와 같은 수순에 따라 비수 전해액을 주입한다. 우선, 전극판군이 삽입되어 있는 전지 케이스 내의 압력을 예를 들어 진공 펌프 등을 이용해서 감소시킨다(제1 공정 S1).
이때, 감압 상태 하의 챔버에 전지 케이스를 넣은 상태에서, 전지 케이스 내의 압력을 감소시킨다. 또한, 전지 케이스를 감압하기 위해서, 전지 케이스 내의 압력만을 감소시킬 수 있다. 또한, 전지 케이스의 감압 시, 정극판과, 부극판과, 세퍼레이터 사이 및 전지 케이스와 전극군 사이의 간극의 공기를 제거하는 것이 가능한 정도로 전지 케이스 내의 압력을 감소시키는 것이 바람직하다.
다음, 전지 케이스 내의 공기를, 비수 전해액 중 오스트발트(Ostwald) 용해도 계수가 2.0 이상인 기체로 치환한다(제2 공정 S2). 본 실시 형태에서는, 비수 전해액 중 오스트발트 용해도 계수가 2.8인 이산화탄소를 전지 케이스 내로 주입하여 치환을 행한다. 또한, 본 실시 형태에서는 이산화탄소를 이용해서 치환을 행하지만, 본 발명은 이에 한정되는 않는다. 오스트발트 용해도 계수가 2.0 이상인 기체이며, 전극군과 비수 전해액과 화학 반응을 하지 않는 기체이면 어떤 기체를 이용해도 된다.
오스트발트 용해도 계수가 2.0 이상인 기체를 이용하는 이유는 다음과 같다: 비수 전해액을 전지 케이스 내에 주입할 때, 오스트발트 용해도 계수가 2.0 이상인 기체가 정극판과, 부극판과, 세퍼레이터 사이 및 전지 케이스와 전극군 사이의 간극에 존재하는 경우, 기체는 비수 전해액에 용해되고, 따라서 비수 전해액이 간극에 들어가기 쉬워진다. 즉, 비수 전해액에 대한 습윤성이 향상된다. 이로써, 비수 전해액을 주입하는데 요구되는 시간이 감소된다.
이산화탄소를 주입하여 치환을 행할 때, 전지 케이스가 놓여있는 챔버 내에 이산화탄소 분위기를 생성함으로써 전지 케이스 내의 공기를 이산화탄소로 치환할 수 있다. 또한, 전지 케이스 내에 이산화탄소를 주입할 때는, 이산화탄소를 전지 케이스 내에 직접 주입하여 치환을 행해도 좋다.
또한, 이산화탄소로의 치환을 행할 때, 이산화탄소가 정극판과, 부극판과, 세퍼레이터 사이 및 전지 케이스와 전극군 사이의 간극까지 도달하도록 보장하는 것이 바람직하다. 따라서, 이산화탄소가 75 체적% 이상, 바람직하게는 95 체적% 이상 포함되는 분위기로 치환하는 것이 제안된다. 상술한 바와 같이 이산화탄소를 75 체적% 이상, 바람직하게는 95 체적% 이상 포함하는 분위기로 치환함으로써, 정극판과, 부극판과, 세퍼레이터 사이 및 전지 케이스와 전극군 사이의 간극에, 습윤성을 향상시키기 위해 필요한 양만큼 이산화탄소를 공급할 수 있다. 또한, 단시간에 전해액 채우기를 실행할 수 있다.
또한, 전지 케이스 내의 공기를 이산화탄소로 치환한 후, 다시 전지 케이스를 감압 상태로 복귀시키고, 그 후 다시 전지 케이스 내의 공기를 이산화탄소로 치환할 수 있다. 또한, 이것을 복수회 반복할 수 있다. 이에 의해, 이산화탄소가 정극판과, 부극판과, 세퍼레이터 사이 및 전지 케이스와 전극군 사이의 간극에 도달하는 것을 더욱 보장할 수 있다.
다음, 전지 케이스 내의 압력을 감소시킨다(제3 공정 S3). 이 감압은 비수 전해액에 대한 습윤성 향상에 필요한 이산화탄소의 양을 유지하면서, 잉여의 이산화탄소를 제외하는 정도의 감소된 압력(reduced pressure)에서 행하는 것이 바람직하다. 따라서, P가 감소된 압력을 상대 압력(kPa)으로 나타내고, t가 감압 시간(분)을 나타낼 때, 다음 식(1)을 충족시키도록 감압을 행하는 것이 제안된다.
[식(1)]
P×t≥-400
이에 의해, 비수 전해액에 대한 습윤성을 유지하면서, 비수 전해액에 용해된 이산화탄소의 양을 최대한 줄이는 것이 가능하게 된다.
전지 셀이 열화될 때, 이산화탄소가 발생하여 비수 전해액에 용해된다. 이산화탄소의 농도가 포화 용해량을 초과하면, 이산화탄소는 기체 상태로 유지되어 전지 셀을 팽창시킨다. 따라서, 본 실시 형태와 같이, 비수 전해액에 용해되는 이산화탄소의 양을 최대한 줄이는 것에 의해, 비수 전해액에 용해되는 이산화탄소의 양을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 전지 셀의 팽창을 적게 할 수 있다.
다음, 전지 케이스 내에 비수 전해액을 주입한다(제4 공정 S4). 이때, 비수 전해액은 챔버 외부로부터 공급된다. 따라서, 전지 케이스 내의 압력과, 대기압 하의 비수 전해액의 압력 사이에 압력차가 발생한다. 따라서, 비수 전해액은 압력의 차이를 이용해서 주입을 행할 수 있다. 또한, 정극판과, 부극판과, 세퍼레이터 사이 및 전지 케이스와 전극군 사이의 간극에서는, 이산화탄소에 의해 습윤성이 향상된다. 이로써, 간극을 남기지 않고, 보다 신속하게 비수 전해액을 주입하는 것이 가능하게 된다. 또한, 습윤성의 향상에 필요한 이산화탄소의 양 이상의 초과 이산화탄소가 최대한 감소되므로, 기체 상태로 존재하는 이산화탄소를 줄일 수 있다. 따라서, 기포 등의 발생을 줄이면서 비수 전해액을 주입하는 것이 가능하게 된다.
다음, 비수 전해액에 압력을 가하여, 전지 케이스를 비수 전해액으로 채운다(제5 공정 S5). 비수 전해액은 전지 케이스 내부의 압력과 외부의 압력 사이의 차압을 이용해서 주입된다. 그러나, 소정의 경우에는, 이 차압은 전지 케이스 전체를 비수 전해액으로 채우기에 불충분할 수 있다. 그 때문에, 전지 케이스 전체에 충분한 양의 비수 전해액을 주입할 수 있도록, 압력 하에 비수 전해액을 주입한다. 또한, 비수 전해액에 압력을 가함으로써 비수 전해액은 신속하게 주입될 수 있다.
비수 전해액에 압력을 가할 때, 압력은 0.05 내지 0.5MPa일 수 있도록 압력을 가하는 것이 제안된다. 0.05MPa보다 낮은 압력은 전지 케이스를 비수 전해액으로 채우기에 너무 낮으므로, 보다 덜 효과적이다. 한편, 0.5MPa보다 높은 압력은 정극판과, 부극판과, 세퍼레이터 사이 및 전지 케이스와 전극군 사이의 간극에 부하를 가하므로, 파손을 야기할 수 있다. 따라서, 상대 압력이 0.05 내지 0.5MPa일 수 있도록 압력을 가한다.
본 발명자들은 실험에 의해 본 실시 형태의 실시예 1 및 2와 비교예에 따른 전해액 채우기를 실행했고, 전해액 채우기를 실행하는데 필요한 시간을 비교했다.
우선, 정극판 및 부극판 대신에 준비한 글라스 슬라이드(glass slide) 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터로서 폴리에틸렌계의 세퍼레이터를 포함하는 전극판군을 내압 용기에 세팅한다. 사용되는 내압 용기는 감압될 수 있고, 내압 용기내에 비수 전해액이 주입되는 것을 허용한다. 또한, 전극판군은 내압 용기의 외부로부터 보여질 수 있다.
실시예 1에서는, 본 실시 형태의 전해액 채우기 공정에 따라 전해액 채우기를 행한다. 구체적으로, 우선, 전극군이 삽입되어 있는 내압 용기 내의 압력을 -0.1MPa까지 감소시킨다. 다음, 내압 용기 내의 공기를, 오스트발트 용해도 계수가 2.8인 이산화탄소에 의해 치환하고, 내압 용기 내의 압력은 대기압 상태로 복귀된다. 또한, 감압 상태와, 이산화탄소를 주입해서 생성된 대기압 상태의 3회 사이클을 행한다. 다음, 내압 용기 내의 압력을 -0.1MPa까지 감소시키고, 내압 용기를 5분 동안 홀로 남겨둔다. 그 후, 대기압 하의 비수 전해액을 내압 용기 내에 주입하고, 0.1MPa에서 가압을 행한다. 그 결과, 전극판군을 60mm의 거리까지 함침시키기 위해 약 10분이 걸린다.
실시예 2에서는, 전해액 채우기 공정은 이산화탄소에 의한 치환을 행하는 공정(제2 공정 S2)까지 실시예 1의 공정과 마찬가지의 조건 하에서 행해진다. 그 후, 감압을 행하지 않고 비수 전해액을 주입하고, 전해액 채우기 후의 가압은 행하지 않았다. 그 결과, 전극판군을 60mm의 거리까지 함침시키기 위해, 실시예 1에 대하여 약 2.5배의 시간이 걸린다.
비교예는, 이산화탄소에 의한 치환을 행하지 않고 비수 전해액을 주입한 후, 내압 용기를 대기압 상태에서 남겨둔다는 사실을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 하에서 행해진다. 그 결과, 전극판군을 60mm의 거리까지 함침시키기 위해, 실시예 1에 대하여 약 4배의 시간이 걸린다.
따라서, 본 실시 형태의 실시예 1과 비교예를 비교하면, 이산화탄소에 의해 치환을 행하고 있기 때문에 단시간에 전해액 채우기 공정을 완료할 수 있다는 것을 나타내고 있다. 또한, 실시예 1과 실시예 2를 비교하면, 이산화탄소로 치환을 행한 후 감압을 행하고, 비수 전해액을 주입한 후 가압을 행하는 경우에, 전해액 채우기 공정을 보다 단시간에 완료할 수 있다는 것을 알았다.
이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 전해액 채우기 공정에서는, 전지 케이스 내의 공기를 오스트발트 용해도 계수가 약 2.0 이상인 기체로 치환한 뒤, 전지 케이스 내의 압력을 감소시키고, 그 후에 비수 전해액을 주입하고 있다. 이에 의해, 단시간에 비수 전해액을 주입하는 것이 가능하게 된다.
또한, 비수 전해액을 주입하기 전에 감압하고, 비수 전해액을 주입한 후에 비수 전해액에 압력을 가하는 것에 의해, 단시간에 전해액 채우기를 행하는 것이 가능하게 된다.
몇 개의 실시 형태를 설명했으나, 이들의 실시 형태는 예로서만 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 본 명세서에 설명된 신규한 실시 형태는 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고; 또한, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 본 명세서에 설명된 실시예 형태의 다양한 생략, 치환 및 변경이 행해질 수 있다. 첨부된 청구범위 및 그 균등물은 본 발명의 범위 및 사상에 포함되는 이러한 실시 형태나 변형을 커버하도록 의도된다.
S1: 제1 공정
S2: 제2 공정
S3: 제3 공정
S4: 제4 공정
S5: 제5 공정

Claims (6)

  1. 전지 케이스와, 상기 전지 케이스 내에 수납되는 전극판군을 포함하고, 상기 전극판군은 정극판 및 부극판 및 이들 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고, 상기 전극판군은 비수 전해액으로 함침되는 2차 전지의 제조 방법으로서,
    상기 전지 케이스 내의 공기를, 상기 비수 전해액 중 오스트발트 용해도 계수가 2.0 이상인 기체로 치환하는 단계와,
    상기 기체로 치환한 후 상기 전지 케이스 내의 압력을 감소시키는 단계와,
    감압된 상기 전지 케이스 내에 상기 비수 전해액을 주입하는 단계를 포함하는, 2차 전지의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지 케이스 내의 감소된 압력은 아래의 수학식(1)을 만족시키는 감소된 압력인, 2차 전지의 제조 방법.
    P×t≥-400...(1)
    여기서, P는 상기 감소된 압력을 상대 압력으로 나타내고, t는 감압 시간을 나타낸다.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비수 전해액을 주입한 후, 상기 비수 전해액에 압력을 가하는 단계를 더 포함하는, 2차 전지의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 비수 전해액에 가해지는 압력은 0.05 내지 0.5MPa인, 2차 전지의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 치환하는 단계는, 상기 전지 케이스 내의 공기를 치환하는 75 체적% 이상의 상기 기체를 포함하는 분위기를 생성하도록 행해지는, 2차 전지의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기체는 이산화탄소인, 2차 전지의 제조 방법.
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